Pe măsură ce tehnologia semiconductorilor pe bază de siliciu convențional se apropie de limitele sale fizice, industria globală de semiconductori accelerează căutarea de materiale de generație următoare capabile să extindă legea lui Moore. Semiconductoarele bidimensionale, cum ar fi disulfura de molibden (MoS₂), care pot fi la fel de subțiri ca un singur strat atomic—aproximativ 0.7 nanometri—sunt considerate candidați promițători pentru nodurile de proces sub 1 nanometru. Totuși, utilizarea lor practică se confruntă cu o provocare persistentă: depunerea unui dielectric de ușă pe material poate crea defecte la interfața dintre izolatorul ultra-subțire și semiconductor, crescând dispersia electronilor, reducând mobilitatea purtătorilor și degradând performanța transistorului.
Pentru a aborda această provocare de interfață de lungă durată, cercetătorii din divizia de cercetare corporativă a TSMC și de la Universitatea Națională Yang Ming Chiao Tung au dezvoltat o abordare cunoscută sub numele de “ingineria interfeței epitaxiale.” Cercetarea a fost publicată în Nature Electronics în iulie 2026.
În loc să dezvolte un nou semiconductor sau dielectric de ușă, echipa de cercetare a reproiectat interfața dintre cele două materiale la scară atomică. Folosind tehnologie de vid ultrarid, echipa a depus cu precizie un strat ultra-subțire de aluminiu metalic pe MoS₂ în monostrat. Aluminiul a fost apoi oxidat pentru a forma un strat de oxid de aluminiu de aproximativ 0.42 nanometri grosime. Acest strat atomic subțire a servit ca o suprafață buffer de calitate înaltă, pe care cercetătorii au depus oxid de hafniu, un material high-k utilizat ca dielectric funcțional de ușă.
Tehnica de inginerie a interfeței la scară atomică oferă două beneficii. Strat de oxid de aluminiu buffer depășește dificultățile de depunere cauzate de absența legăturilor suspendate pe suprafața MoS₂, oferind o suprafață de creștere uniformă și continuă pentru filmul de oxid de hafniu. De asemenea, funcționează ca un strat de izolare care reduce interacțiunile de încărcare și efectele de tensiune a rețelei între dielectricul high-k și semiconductorul bidimensional, scăzând substanțial dispersia electronilor induse de interfață.
Folosind această tehnică, cercetătorii au fabricat transistori de top-gate de înaltă performanță, bazate pe MoS₂ în monostrat, crescuți prin depunere chimică de vapori. Rezultatele testelor au arătat o grosime echivalentă a oxidului de aproximativ 1 nanometru, îndeplinind cerințele stricte de scalare a dielectrului de ușă pentru procesele avansate de semiconductori. Dispozitivele au demonstrat, de asemenea, performanțe de transconductanță de vârf la dimensiuni extrem de mici, cu o valoare maximă de 0.45 mS/μm, împreună cu o curent de scurgere foarte mic și o stabilitate operațională puternică.
Studiul marchează prima demonstrație în dispozitive atomice subțiri de mari dimensiuni care combină scalarea agresivă a dielectrului de ușă, un control electrostatic puternic și o mobilitate mare a purtătorilor. Tehnica stabilește o platformă care ar putea fi aplicată la multiple materiale semiconductoare bidimensionale. Este posibil să fie integrată în cele din urmă cu procesele existente de fabricare a semiconductorilor și să sprijine dezvoltarea tehnologiilor de cipuri post-siliciu.